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氧化锌压敏电阻多脉冲试验与仿真

更新时间:2016-07-05

0 引言

雷电浪涌是电力系统的突出问题,氧化锌压敏电阻是抑制浪涌过电压的重要设备,在电力系统保护中应用广泛[1-2]。为了模拟闪电对ZnO压敏电阻的冲击作用,实验室中一般用8/20 μs、10/350 μs等单次脉冲波形进行试验[3]。然而自然闪电观测数据和人工引雷数据[4-5]都表明:一次闪电包含多次回击过程,即闪电波形包含多个脉冲,脉冲之间存在一定的时间间隔。采用单次脉冲模拟闪电,对压敏电阻进行测试,持续时间和能量均与真实闪电作用存在差异,因此需要研究压敏电阻在多脉冲作用下的冲击特性。

笔者利用EMTP[6]搭建多脉冲冲击发生回路,采用IEEE推荐的氧化锌压敏电阻等效模型,分析压敏电阻在多脉冲冲击下的特性,并与试验结果对比,最后通过对压敏电阻冲击电流寿命的统计,给出压敏电阻平均寿命预测。

1 多脉冲发生电路

多脉冲发生装置包含多个单次脉冲发生回路,通过控制不同回路脉冲触发间隔时间,产生多脉冲波形。图1为产生单次脉冲的RLC冲击电流发生回路的原理图[7-8]。图中:R为回路总电阻;L包含连线电感和调波电感;C为储能电容;V为电容两端的初始电压。

图1 冲击电流发生电路 Fig.1 Impulse current generator circuit

根据图1给出的电路,列出KVL方程。

图1中有3种工作状态:欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态。处于欠阻尼状态的充电电流随时间的变化关系如下:

所有人到了这个包厢里都会情不自禁的往窗边走去,看着窗外。只有刘必芒才能视而不见地坐在沙发上和杨臣刚两人小眼瞪小眼。每次左小龙给刘必芒讲述亭林镇发生的事情的时候也基本都在这间让刘必芒很得意的包间里,刘必芒坐在沙发上,左小龙自己搬一个椅子正对这他,这样虽然可以不用看见杨臣刚,但一想到他在身后的墙壁上直勾勾看着你,不由背脊发凉,只想一股脑把该说的全说了,实在是扛不住啊,到了这样的环境里,估计刘胡兰都想招。

可靠度函数R2n):

欠阻尼状态阻值:

视在波头时间:

视在波尾时间:

通过波头时间和波尾时间参数,固定C的值,即可确定LR的取值。根据仿真波形与给定的参数的差异,不断在仿真回路中修改LR的值,直到仿真波形与标准波形误差满足要求为止。

2 氧化锌压敏电阻模型

IEEE工作组通过大量的研究工作,提出了一种适合雷电流波头时间为0.5~45 μs范围的氧化锌压敏电阻片模型[9],见图2。

3.3合理、适当镇静镇痛。合理的镇痛镇静能够明显降低意外拔管的发生,实施医护一体化,增强医生对意外拔管的重视程度,合理使用镇静镇痛药物,达到理想镇静镇痛水平,使患者感觉舒适、安静合作,改善各种导管带来的不适。护士每日和医生评估各类导管留置的必要性,及早拔除的管道,对降低非计划性拔管率有很大的帮助。

二是抓好项目运行。建立课题组项目运行分析例会制度和技术首席负责制度,加强课题组内部沟通,更好地发挥其整体攻关作用。发挥院学术委员会的技术决策作用,提高项目实施的针对性和科学性。加强科研动态跟踪,坚持项目季度对接检查考评制度,加强运行监督和考核,明确奖惩标准,确保项目研究计划的顺利完成及运行质量。健全制度化的学术交流机制,加强与国内外有较强实力的高校、科研机构的交流合作,促进科技创新能力和科研水平的提高。

图2 IEEE推荐的压敏电阻模型 Fig.2 Varistor model recommended by IEEE

IEEE模型中用两个非线性电阻A0A1来表征压敏电阻的伏安特性。冲击波头时间较长时,R1L1电路阻抗较小,A0A1可认为直接并联,非线性电阻起主要作用。R1L1组成低通滤波器,L0是构成内外部磁场的电感,R0是抑制数值振荡的电阻,C是压敏电阻固有电容。模型中各参数的取值与压敏电阻结构有关,求取公式如下:

为解决电商人才匮乏的问题,青岩刘村应妥善利用周边资源,全力加强与高校之间的合作,不遗余力对接高校资源,引进专业教师定期为青岩刘网商们进行专业指导;以优厚的条件吸引优质创业毕业生长期驻扎,不定期地开展创业交流活动、分享创业心得。同时,青岩刘还应加深校企合作,完善联合办学、合作培训、实训基地等长效机制,鼓励大学生到青岩刘创业,通过共同培养人才,尽快弥补当地人才缺口。此外,青岩刘还应建立与发展“青岩刘智慧库”,邀请互联网领域内专家担任优质导师,定期开展创业相关活动,借助高校资源,积极引进多种平台宣讲,创新电商运营模式,多渠道探索创业之路,为青岩刘的电商生存提供鲜活的血液与动力。

式中:d是电阻片的长度,m;a为并联电阻片的个数。

选取同一厂家生产的5种不同批次的压敏电阻,每种批次分别取20片进行多脉冲和单次脉冲试验。多脉冲实验采用8/20 μs波形,脉冲个数为5个,幅值均为20 kA,时间间隔50 ms。单次脉冲试验同样采用8/20 μs波形,幅值20 kA,冲击时间间隔5 min。氧化锌压敏电阻在冲击电流的作用下,会发生老化劣化,其失效判定标准如下:外观无损坏的情况下,压敏电压波动(ΔU1mA/U1mA)大于±10%终止试验;外观发生损坏直接判定为失效。冲击试验数据统计见表4,其中累积失效概率为累积失效数与试验样品总数之比。

从图4、图5和表3中可看出,仿真模型较好体现了多脉冲作用下氧化锌电阻片的非线性特性,将过电压限制在一定幅值范围内。仿真结果的误差在10%以内,可以较准确再现氧化锌电阻片的残压。

表1 非线性电阻A0A1的伏安特性 Table 1 V-A characteristic of A0and A1

I/kA Auo/pu Au1/pu I/kA Auo/pu Au1/pu 0.01 1.40—10 1.90 1.55 0.1 1.54 1.23 12 1.93 1.56 12468 1.68 1.36 14 1.97 1.58 1.74 1.43 16 2.0 1.59 1.80 1.48 18 2.05 1.60 1.82 1.50 20 2.1 1.61 1.87 1.53

3 试验与仿真分析

3.1 仿真参数选取

单次脉冲波形取8/20 μs波形,波形相关参数[8]α=53 500,ω=113 000。取C=10 μF,根据式(3)—(7),解得L=6.5 μH,R=0.70 Ω,通过EMTP仿真,得到的波形为7.98/19.72 μs,误差满足IEC标准。充电电压加到约13.84 kV时,输出电流幅值达到10 kA。5个单次脉冲间隔时间取50 ms,得到多脉冲仿真波形见图3。

图3 多脉冲仿真波形 Fig.3 Simulation waveform of multi-pulse

根据IEEE工作组提出的模型参数的校正步骤:式(8)—(12)确定L0L1R0、R1C初始值;通过改变k值可以调整A0A1伏安曲线,模型仿真结果与波头为45 μs、峰值为10 kA电流波下的电压测试值一致;调整校正L1,将仿真残压数值与实验残压结果比较,使模型仿真结果与8/20 μs波形、峰值为10 kA电流冲击下的电压测试值一致。得到的压敏电阻参数见表2。

表2 IEEE推荐MOA模型参数 Table 2 Parameters of model recommended by IEEE

C/nF 20参数取值L0/μH 10-2 L1/μH 9×10-4 R0/Ω 0.5 R1/Ω 0.32

3.2 仿真与实测结果对比

可靠度函数R1n):

式中,U8/20是8/20 μs波形在10 kA电流冲击下MOA的残压,初始参数k=1.6。A0A1的限压(pu)可以从表1中得到[9]

4 压敏电阻冲击电流寿命

压敏电阻在短时间内承受多次脉冲电流冲击,能量的瞬间积累极易超过其的能量耐量[10-11],导致电阻片破坏,丧失浪涌保防护效果。因此,必须合理评估压敏电阻冲击电流寿命。

根据相关研究[12],氧化锌压敏电阻的冲击电流寿命服从威布尔分布[13]。威布尔分布的累积失效概率函数见式(15):

图4 试验电流和残压波形图 Fig.4 Waveform of experiment current and residual voltage

图5 仿真电流和残压波形 Fig.5 Waveform of simulation current and residual voltages

表3 实验与仿真结果对比 Table 3 Comparisons between simulation and experiment results

冲击电流/kA 5 10实测残压均值/kV 1.31 1.47仿真残压均值/kV 1.36 1.42平均相对误差/%3.82 3.40

式中:m、δ、η分别为形状参数、位置参数和尺度参数;函数Ft)中的t在本试验中指冲击次数n

非线性电阻A0A1的伏安特性:

表4 冲击试验数据统计 Table 4 Statistical of impulse test data

单次脉冲试验累积失效概率/%5 11 28 54 66 76 82 100多脉冲试验冲击次数1 2 3 4 5 6 7>7累积失效概率/%16 47 72 84 91 94 97 100冲击次数10 20 30 40 50 60 70>70

通过数据拟合得到多脉冲和单次脉冲作用下的累积失效概率函数,图6给出了拟合函数曲线。

班主任应以专业的态度去践行自己的教育职责,无论我们在工作中遇到怎样的家长,都应该清楚自身的教育责任,这是与家长沟通的基本。

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图6 累积失效概率拟合 Fig.6 Fitting of cumulative failure probability

多脉冲作用下累积失效概率函数F1n):

利用搭建模型仿真冲击,并与实验结果进行对比。仿真与试验电流幅值均为10 kA,波形为8/20 μs。冲击试验与仿真结果见图4和图5。

单次脉冲作用下累积失效概率函数F2n):

式中:

通过可靠度函数可以得出压敏电阻的冲击电流平均寿命θ

通过拟合得到的可靠度函数,求得多脉冲和单次脉冲作用下压敏电阻冲击电流平均寿命分别为2.12次和42.92次。压敏电阻在多脉冲冲击作用下的平均寿命远低于单次脉冲平均寿命,这是因为多脉冲冲击时,压敏电阻处于近似绝热状态,大量能量在极短的时间内瞬间集聚。热量积累导致压敏电阻内部晶粒热导率的下降,部分热导性能较差的晶界由热平衡状态转入热不平衡状态,晶界区电荷量产生变化,最终导致压敏电阻失效[14-15]

5 结论

通过对氧化锌压敏电阻多脉冲冲击作用试验与仿真,得到如下结论:

由此看来,当花序长度超过12 cm,花序处理时间距开花时间不足10天,必须把稀释倍数调整至 1 ∶110 000~120 000。

1)利用EMTP搭建多脉冲发生电路,可以模拟产生不同波形与时间间隔的多脉冲波形。

2)IEEE模型能较好模拟多脉冲作用下氧化锌电阻片的伏安特性。

3)多脉冲作用下压敏电阻冲击电流平均寿命远低于单次脉冲作用。

4)需要进一步研究多脉冲作用下氧化锌压敏电阻失效机理,为研发可耐受严酷等级雷击的浪涌保护器件提供参考。

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DONG Jun-feng, TENG Fei, LI Pei-lei, SUN Ke-yan, FU Hong, GUO Wen-yuan, DING Guo-shan

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毛峰,桂前进,江千军,肖扬
《电瓷避雷器》 2018年第02期
《电瓷避雷器》2018年第02期文献

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